巖溶山區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線分析
——以宜萬鐵路野三關(guān)地區(qū)為例

李春紅

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢　430063)

0　引言

工程地質(zhì)選線是鐵路勘察設(shè)計中的一項重要工作。當(dāng)一條鐵路的走向和主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定后,地質(zhì)條件就成為設(shè)計線路位置和各種建筑物的決定性因素之一[1-3]。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向復(fù)雜山區(qū)延伸。隧道在穿越巖溶地區(qū)時,可能遭遇巖溶洞穴、暗河或管道流,發(fā)生大規(guī)模突水突泥,并可能引起地面巖溶塌陷,地表水源枯竭,引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題。特別是隧道一旦與大型暗河管道串通,易造成重大人身安全事故,后果十分嚴(yán)重。在復(fù)雜巖溶地區(qū)鐵路的建設(shè)和運營中,遭遇了多起突發(fā)性巖溶地質(zhì)災(zāi)害,付出過慘重的代價,而且誘發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題[4-5]。因此,巖溶地區(qū)線路位置的選擇應(yīng)更加慎重。

宜萬鐵路是中國在地形、地質(zhì)條件極為復(fù)雜的艱險山區(qū)修建的第一條高標(biāo)準(zhǔn)干線鐵路,其地質(zhì)條件之復(fù)雜集“西南山區(qū)鐵路之大成”,建設(shè)條件之“艱、難、險”是目前中國山區(qū)鐵路建設(shè)歷史之最。其中,可溶巖占整個線路的70%,巖溶發(fā)育、突水突泥的風(fēng)險程度、規(guī)模和工程處理難度為國內(nèi)外罕見,工程極為艱巨,環(huán)境風(fēng)險極大[4]。因此,為最大限度地降低巖溶地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險,鐵路工程選線工作尤為重要。本文以野三關(guān)段為例,論述在復(fù)雜巖溶地區(qū)鐵路工程地質(zhì)選線的原則、要點,巖溶地質(zhì)問題的分析及線路的綜合比選。

1　巖溶區(qū)鐵路選線的關(guān)鍵地質(zhì)問題

1.1　野三關(guān)隧道概況

野三關(guān)隧道是宜萬鐵路中的關(guān)鍵工程之一,全長13 846 m,最大埋深600 m,穿越了石馬壩背斜及二溪河向斜。背斜核部為志留系、泥盆系碎屑巖,兩翼為二疊系、三疊系灰?guī)r(圖1)。其中,二疊系棲霞組、茅口組、吳家坪組、長興組,三疊系大冶組灰?guī)r地層長度為8 772 m,占整個隧道的63.4%；志留系、泥盆系等碎屑巖長度為5 074 m,占整個隧道的36.6%。隧道共穿越11條斷層,發(fā)育有6條暗河及管道流。

1.2　巖溶區(qū)關(guān)鍵地質(zhì)問題

巖溶地區(qū)控制線路的關(guān)鍵地質(zhì)問題主要有:巖溶及巖溶水,大型不良地質(zhì)體等。

1.2.1巖溶及巖溶水

在巖溶發(fā)育區(qū),不僅地形地貌獨特,而且發(fā)育有埋藏的或隱伏的復(fù)雜巖溶。巖溶形態(tài)各異,規(guī)模大小不一,在空間分布和發(fā)育程度上通常是極不均一的。由于巖溶水循環(huán)的分帶性,使得巖溶具有垂直分帶性的特點。而且,還發(fā)現(xiàn)有深埋巖溶。

野三關(guān)段區(qū)域地勢北高南低,北部山區(qū)為區(qū)域分水嶺,南部清江為區(qū)域相對排泄基準(zhǔn)面。磨刀河、二溪河、苦桃溪、支井河是小區(qū)域的地下水排泄基準(zhǔn)面,地下水總體流向自北向南(圖1)。

志留系(S)及二疊系吳家坪組(P2w)與大冶組(T1d)底部的頁巖構(gòu)成隔水層,棲霞組、茅口組、長興組、大冶組、嘉陵江組地層構(gòu)成含水層。受碳酸鹽巖層組、層間分布的隔水層的限隔,各含水層組成相對獨立的溶隙—管道流系統(tǒng)。背斜各含水層中發(fā)育有6條主要管道流(表1)。其中,③號、④號暗河對隧道影響較大。隧道洞身以上水頭高度約為200～300 m,預(yù)測隧道最大涌水量為429 064 m3/d,正常涌水量114 747 m3/d。地下水埋深自北向南變淺,巖溶發(fā)育強度、富水程度由弱漸強。

圖1　野三關(guān)地區(qū)巖溶水文地質(zhì)略圖

表1野三關(guān)段區(qū)主要暗河管道流特征

Table 1Characteristics of conduit flow of main underground river in Yesanguan area

編號地層補給面積/km2流量/(L·s-1)泄出標(biāo)高/m①T1d3．392001112②P1m0．60201120③P1q，P1m14．5724．9～3798．71050④T1d8．354400(最大)880⑤T1d5．050．68～6531810⑥T1d1．75較小815

巖溶及巖溶地下水對鐵路工程的危害,主要表現(xiàn)為隧道突水突泥施工人員安全的影響，以及施工機具設(shè)備的破壞。

1.2.2大型不良地質(zhì)體

宜萬鐵路野三關(guān)地區(qū)不良地質(zhì)發(fā)育,以滑坡對選線影響最大。控制線路方案的重大不良地質(zhì)有廟嶺上滑坡、金龍坪滑坡、故縣坪滑坡等,上述滑坡規(guī)模大,滑層深,且欠穩(wěn)定。例如,廟嶺上滑坡位于支井河左岸大冶組(T1d)中厚—薄層灰?guī)r順層斜坡地段,巖層傾角38°～56°,滑體厚、規(guī)模大(圖2),控制線路方案的選擇,選線時予以繞避。

圖2　廟嶺上滑坡剖面示意圖

2　復(fù)雜巖溶區(qū)鐵路選線的原則

2.1　鐵路選線的一般原則

在上世紀(jì)六七十年代提出的“三十條”原則基礎(chǔ)上,經(jīng)過近50年來的鐵路工程實踐、經(jīng)驗積累,提出了“五條鐵路地質(zhì)選線原則”。概括起來為[1,4]:

(1) 河谷選線；

(2) 大高差上地形臺階和高原面的高位選線；

(3) 越分水嶺選線；

(4) 超前開展大范圍區(qū)域地質(zhì)勘察,綜合考慮越嶺隧道和兩端引線、活動性斷裂帶選線；

(5) 特殊巖土選線。

這五條地質(zhì)選線原則體系了區(qū)域地質(zhì)的觀念和實施地質(zhì)選線的技術(shù)路線。

2.2　巖溶區(qū)鐵路選線原則

巖溶、巖溶水發(fā)育特征,反映了巖溶地區(qū)地貌、巖性、地質(zhì)構(gòu)造控制的疊合效應(yīng)；大型不良地質(zhì)體制約線路方案的可行性,甚至“一票否決”。因此,巖溶地區(qū)鐵路選線就是要抓住關(guān)鍵地質(zhì)問題,同時兼顧其它要素。巖溶區(qū)的地質(zhì)選線原則概括如下:

(1) 線路盡量選擇巖溶不發(fā)育、欠發(fā)育、相對弱發(fā)育的地層巖組區(qū)段,依次選擇非可溶巖→不純碳酸鹽巖→間互型碳酸鹽巖、純碳酸鹽巖中的有利部位等；構(gòu)造穩(wěn)定寬緩褶皺、構(gòu)造簡單、斷裂欠發(fā)育的地塊；不利于巖溶、巖溶水發(fā)育分水嶺、補給區(qū),鑒別選擇徑流區(qū),避開排泄區(qū),遠(yuǎn)離暗河。

(2) 盡量避開可溶巖和非可溶巖的接觸帶。可溶巖和非可溶巖的接觸帶有利于地下水的富集,巖溶水的化學(xué)、物理作用強烈。線路方案應(yīng)避開這些地帶,或大角度通過。

(3) 盡可能避開網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞區(qū)。在巖層產(chǎn)狀平緩、質(zhì)純、層厚,斷裂密集或交叉的地帶,或地形切割劇烈,且地表與暗河有水力聯(lián)系的地段,往往發(fā)育網(wǎng)狀洞穴或巨大空洞。在巖溶水排泄區(qū)附近,是巖溶和巖溶水最發(fā)育的部位,應(yīng)盡量避開。而選擇在巖溶安全帶或垂直滲流帶內(nèi)通過(圖3)。

圖3　巖溶安全帶示意圖

(4) 考慮選擇在地下水分水嶺地帶通過。巖溶水為適應(yīng)橫向谷,做與構(gòu)造線一致的縱向運動,而形成縱向巖溶水的地下分水嶺,此分水嶺與地表分水嶺或褶皺軸垂直,這些地帶巖溶和巖溶水相對不發(fā)育。

(5) 盡量往河流的上游靠。由于挽近期地殼上升、河流下切速度大于巖溶化速度,巖溶發(fā)育強度隨河流逆源方向而減弱。同時,越往上游,則河床標(biāo)高越高,河谷越狹窄,可大大減少橋高、橋長。

(6) 盡量繞避不良地質(zhì)體。對于大型滑坡、順層邊坡,往往治理難度大,投資大,留有安全隱患,最好“一票否決”。

(7) 方案比選采取“兩害相權(quán),取其輕”原則。鑒于巖溶的復(fù)雜性、普遍性,線路難以躲避所有巖溶、巖溶水發(fā)育區(qū)和不良地質(zhì)體,“差中選好”、“劣中擇優(yōu)”,通過綜合比選確定線路方案。

3　野三關(guān)地區(qū)綜合地質(zhì)選線

野三關(guān)地區(qū)為巖溶水文地質(zhì)、工程地質(zhì)極復(fù)雜的越嶺地段。為避免巖溶及巖溶突水問題，盡量繞避大型不良地質(zhì)體。線路方案比選時研究了野三關(guān)北方案、野三關(guān)南方案、野三關(guān)取直方案,以及野三關(guān)北改善方案(A方案)、野三關(guān)南改善方案(B方案)和野三關(guān)大取直方案(C方案)等6個越嶺方案(圖4)。

圖4　野三關(guān)地區(qū)綜合選線方案示意圖

野三關(guān)北、野三關(guān)取直、野三關(guān)南三個方案均不同程度地存在巖溶、巖溶水問題,以南方案問題最大,北方案問題相對較少；三個方案均通過大型廟嶺上滑坡；野三關(guān)北方案中,隧道出口存在長約5 km自然順層坡高達(dá)600 m的順層地段,三個線路方案均存在關(guān)鍵地質(zhì)問題,方案不可取。為此,研究了野三關(guān)北改善方案(A方案)、野三關(guān)南改善方案(B方案)和野三關(guān)大取直方案(C方案)。

(1) 方案A:線路位在最北端,接近長江、清江的分水嶺,穿越碎屑巖所占比例最高,巖溶水文地質(zhì)條件相對較好；特高橋相對短、高度矮。但是,線路經(jīng)過支井河右岸長大順層地段和故縣坪滑坡群。

(2) 方案B:線路位于區(qū)域的最南端,所經(jīng)強巖溶化地層(T1d、T1j)最多,且都在徑流排泄區(qū),巖溶、巖溶水發(fā)育強烈,巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜且跨支井河、野三河橋高達(dá)258 m。該方案巖溶、巖溶水文地質(zhì)問題突出。

(3) 方案C:線路位于方案A、方案B之間,處在巖溶水的補給區(qū)、徑流區(qū)的過渡段,分布地層主要為志留系S碎屑巖及二疊系P、三疊系大冶組T1d、嘉陵江組T1j可溶巖,工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件也介乎上兩方案之間；線路最短且順直,沿線躲避了大型不良地質(zhì)體。

(4) 綜合比選。①野三關(guān)大取直方案線路最短,投資最小,較野三關(guān)北改善方案短6.3 km,工程造價節(jié)省約2.6億元。三個方案的主要工程及造價列于表2。

表2　野三關(guān)段線路方案及主要工程與造價

② 野三關(guān)南改善方案線路位在南端巖溶水文地質(zhì)極復(fù)雜的野三河北岸排泄區(qū),巖溶水文地質(zhì)條件最差,地質(zhì)風(fēng)險大，橋渡工程技術(shù)艱難,線路長、造價高。予以放棄。

③ 野三關(guān)北改善方案最大缺陷在于5 km順層地段未能完全擺脫其危害；故縣坪不良地質(zhì)體群整治難度大。予以放棄。

④ 野三關(guān)大取直方案的野三關(guān)隧道相較較長,但整個線路最短、造價最省,避開了大型不良地質(zhì)體。推薦方案。

4　結(jié)語

在復(fù)雜巖溶地區(qū)選線時,應(yīng)把握線路的關(guān)鍵地質(zhì)問題。在較大區(qū)域內(nèi),研究分析巖溶、巖溶水、不良地質(zhì)體的發(fā)育、分布等的差異性,進(jìn)而差中選好、劣中擇優(yōu),繞避大型不良地質(zhì)體,選出地質(zhì)條件相對較好線路方案。對降低施工、運營風(fēng)險,減少投資具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]易思蓉.鐵路選線設(shè)計[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2009.

[2]朱穎.鐵路選線理念的創(chuàng)新與實踐[J].鐵道工程學(xué)報,2009(6)：1-4.

[3]潘國強.鐵路選線的制約因素和對策研究[J].中國鐵道,2008(3)：35-38.

[4]顧湘生,劉坡拉.鐵路巖溶工程地質(zhì)勘察技術(shù)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2012.

[5]張梅，等.宜萬鐵路巖溶斷層隧道修建技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2010.